Hi ha diferents tipus d'oscil·lacions en física, caracteritzades per determinats paràmetres. Considereu les seves principals diferències, classificació segons diferents factors.
Definicions bàsiques
Sota fluctuació s'entén un procés en què a intervals regulars les característiques principals del moviment tenen els mateixos valors.
Les oscil·lacions periòdiques són aquelles en què els valors de les magnituds bàsiques es repeteixen a intervals regulars (període d'oscil·lació).
Varietats de processos oscil·latoris
Considerem els principals tipus d'oscil·lacions que existeixen a la física fonamental.
Les vibracions lliures són les que es produeixen en un sistema que no està sotmès a influències variables externes després del xoc inicial.
Un exemple d'oscil·lació lliure és un pèndol matemàtic.
Aquests tipus de vibracions mecàniques que es produeixen al sistema sota l'acció d'una força variable externa.
Característiques de la classificació
Per naturalesa física, es distingeixen els següents tipus de moviments oscil·latoris:
- mecànic;
- tèrmica;
- electromagnètic;
- mixt.
Segons l'opció d'interacció amb l'entorn
Els tipus de fluctuacions en la interacció amb l'entorn es divideixen en diversos grups.
Les oscil·lacions forçades apareixen al sistema sota l'acció d'una acció periòdica externa. Com a exemples d'aquest tipus d'oscil·lació, podem considerar el moviment de les mans, les fulles dels arbres.
Per a oscil·lacions harmòniques forçades, pot aparèixer una ressonància, en la qual, amb valors iguals de la freqüència de la influència externa i de l'oscil·lador, amb un fort augment d'amplitud.
Vibracions pròpies en el sistema sota la influència de les forces internes després que es tregui de l'equilibri. La versió més senzilla de les vibracions lliures és el moviment d'una càrrega que està suspesa d'un fil o subjecta a una molla.
Les autooscil·lacions són tipus en què el sistema té una certa quantitat d'energia potencial utilitzada per fer oscil·lacions. La seva característica distintiva és el fet que l'amplitud es caracteritza per les propietats del propi sistema, i no per les condicions inicials.
Per a fluctuacions aleatòries, la càrrega externa té un valor aleatori.
Paràmetres bàsics dels moviments oscil·latoris
Tots els modes de vibració tenen determinades característiques que s'han d'esmentar per separat.
L'amplitud és la desviació màxima de la posició d'equilibri, la desviació d'un valor fluctuant, es mesura en metres.
El període és el moment d'un ritme totalque repeteix les característiques del sistema, es calcula en segons.
La freqüència ve determinada pel nombre d'oscil·lacions per unitat de temps, és inversament proporcional al període d'oscil·lació.
La fase d'oscil·lació caracteritza l'estat del sistema.
Característica de les oscil·lacions harmòniques
Aquests tipus d'oscil·lacions es produeixen segons la llei del cosinus o del sinus. Fourier va aconseguir establir que qualsevol oscil·lació periòdica es pot representar com una suma de canvis harmònics expandint una determinada funció en una sèrie de Fourier.
Com a exemple, considereu un pèndol amb un període determinat i una freqüència cíclica.
Què caracteritza aquest tipus de fluctuacions? La física considera que el pèndol matemàtic és un sistema idealitzat, que consisteix en un punt material, suspès en un fil inextensible sense pes, que oscil·la sota la influència de la gravetat.
Aquests tipus de vibracions tenen una certa quantitat d'energia, són habituals per naturalesa i tecnologia.
Amb un moviment oscil·latori prolongat, la coordenada del seu centre de massa canvia, i amb el corrent altern, el valor del corrent i la tensió del circuit canvia.
Hi ha diferents tipus d'oscil·lacions harmòniques per naturalesa física: electromagnètiques, mecàniques, etc.
La sacsejada d'un vehicle que es mou per una carretera accidentada actua com una oscil·lació forçada.
Principals diferències entre forçat i lliurefluctuacions
Aquests tipus d'oscil·lacions electromagnètiques difereixen en característiques físiques. La presència de forces de resistència i fricció mitjanes condueixen a l'amortiment de les oscil·lacions lliures. En el cas d'oscil·lacions forçades, les pèrdues d'energia es compensen amb el seu subministrament addicional d'una font externa.
El període d'un pèndol de molla relaciona la massa del cos i la rigidesa de la molla. En el cas d'un pèndol matemàtic, depèn de la longitud del fil.
Amb un període conegut, podeu calcular la freqüència natural del sistema oscil·latori.
En tecnologia i natura, hi ha fluctuacions amb diferents valors de freqüència. Per exemple, el pèndol que oscil·la a la catedral de Sant Isaac de Sant Petersburg té una freqüència de 0,05 Hz, mentre que per als àtoms és de diversos milions de megahertzs.
Després d'un cert període de temps, s'observa un amortiment de les oscil·lacions lliures. És per això que les oscil·lacions forçades s'utilitzen en la pràctica real. Són demanats en una varietat de màquines de vibració. El martell vibratori és una màquina de vibració de cops dissenyada per introduir canonades, piles i altres estructures metàl·liques al terra.
Oscil·lacions electromagnètiques
La caracterització dels modes d'oscil·lació implica l'anàlisi dels principals paràmetres físics: càrrega, voltatge, intensitat de corrent. Com a sistema elemental, que s'utilitza per observar oscil·lacions electromagnètiques, és un circuit oscil·latori. Es forma connectant una bobina i un condensador en sèrie.
Quan el circuit està tancat, lliure electromagnèticfluctuacions associades amb canvis periòdics en la càrrega elèctrica del condensador i el corrent a la bobina.
Són gratuïtes pel fet que quan es realitzen no hi ha influència externa, sinó que només s'utilitza l'energia emmagatzemada en el propi circuit.
Si considerem que la resistència de la bobina és zero, i prenem el període d'oscil·lació com a T, podem considerar una oscil·lació completa feta pel sistema.
En absència d'influència externa, després d'un cert període de temps, s'observa l'amortiment de l'oscil·lació electromagnètica. El motiu d'aquest fenomen serà la descàrrega gradual del condensador, així com la resistència que realment té la bobina.
És per això que es produeixen oscil·lacions amortides en un circuit real. La reducció de la càrrega del condensador comporta una disminució del valor energètic en comparació amb el seu valor original. A poc a poc, s'alliberarà com a calor als cables i la bobina de connexió, el condensador es descarregarà completament i l'oscil·lació electromagnètica es completarà.
La importància de les fluctuacions en la ciència i la tecnologia
Qualsevol moviment que tingui un cert grau de repetició són oscil·lacions. Per exemple, un pèndol matemàtic es caracteritza per una desviació sistemàtica en ambdues direccions de la posició vertical original.
Per a un pèndol de molla, un gir complet correspon al seu moviment cap amunt i cap avall des de la posició inicial.
En un circuit elèctric que té capacitat i inductància, hi ha una repetició de càrrega enplaques de condensadors. Quina és la causa dels moviments oscil·latoris? El pèndol funciona pel fet que la gravetat fa que torni a la seva posició original. En el cas d'un model de molla, la força elàstica de la molla fa una funció similar. En passar la posició d'equilibri, la càrrega té una certa velocitat, per tant, per inèrcia, es mou més enllà de l'estat mitjà.
Les oscil·lacions elèctriques es poden explicar per la diferència de potencial que hi ha entre les plaques d'un condensador carregat. Fins i tot quan està completament descarregat, el corrent no desapareix, es recarrega.
La tecnologia moderna utilitza fluctuacions que difereixen significativament en la seva naturalesa, grau de repetició, naturalesa i també en el "mecanisme" de l'aparença.
Les vibracions mecàniques les fan cordes d'instruments musicals, ones del mar, un pèndol. Les fluctuacions químiques associades a un canvi en la concentració de reactius es tenen en compte quan es realitzen diverses interaccions.
Les oscil·lacions electromagnètiques permeten la creació de diversos dispositius tècnics, com ara telèfons, dispositius mèdics d'ultrasons.
Les fluctuacions de brillantor de les cefeides són d'un interès particular en astrofísica, i científics de diferents països les estan estudiant.
Conclusió
Tots els tipus d'oscil·lacions estan estretament relacionats amb un gran nombre de processos tècnics i fenòmens físics. La seva importància pràctica és gran en la construcció d'avions, la construcció naval, la construcció de complexos residencials, l'enginyeria elèctrica, la radioelectrònica, la medicina i la ciència fonamental. Un exemple d'un procés oscil·latori típic ala fisiologia afavoreix el moviment del múscul cardíac. Les vibracions mecàniques es troben a la química orgànica i inorgànica, la meteorologia i moltes altres ciències naturals.
Els primers estudis del pèndol matemàtic es van dur a terme al segle XVII i, a finals del segle XIX, els científics van poder establir la naturalesa de les oscil·lacions electromagnètiques. El científic rus Alexander Popov, considerat el "pare" de les comunicacions de ràdio, va dur a terme els seus experiments precisament sobre la base de la teoria de les oscil·lacions electromagnètiques, els resultats de la investigació de Thomson, Huygens i Rayleigh. Va aconseguir trobar una aplicació pràctica per a les oscil·lacions electromagnètiques, per utilitzar-les per transmetre un senyal de ràdio a llarga distància.
L'acadèmic P. N. Lebedev va dur a terme durant molts anys experiments relacionats amb la producció d'oscil·lacions electromagnètiques d' alta freqüència mitjançant camps elèctrics alterns. Gràcies a nombrosos experiments relacionats amb diversos tipus de vibracions, els científics han aconseguit trobar àrees per al seu ús òptim en la ciència i la tecnologia modernes.
